近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院李木軍副教授、張世武教授，聯(lián)合生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部胡兵教授，提出了一種新型多孔磁性軟體抓手（PMSG），通過在柔性磁性硅膠中融入多孔設(shè)計(jì)，使得PMSG能夠迅速且安全地抓取脆弱的生物活體。成果以“Porous Magnetic Soft Grippers for Fast and Gentle Grasping of Delicate Living Objects”為題發(fā)表在國際期刊《先進(jìn)材料》上。
磁性軟體抓手因其操作靈活、反應(yīng)迅速，并且對(duì)生物體安全而備受矚目。它們特別適合用來精細(xì)地處理那些脆弱的生物體。然而，如何在操作過程中不傷害這些生物體，一直是科研人員面臨的一個(gè)挑戰(zhàn)。針對(duì)上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)提出通過將多孔結(jié)構(gòu)引入磁性硅膠彈性體制造PMSG的方法，使其具備高磁化、低模量和粗糙表面特點(diǎn)，從而展現(xiàn)卓越的柔軟度和適形性，同時(shí)在快速抓取時(shí)減少對(duì)物體的沖擊。這種簡(jiǎn)單有效的方法為高性能致動(dòng)器與生物的安全交互提供了全新的思路。
圖1.多孔磁軟體抓手設(shè)計(jì)
研究團(tuán)隊(duì)提出的多孔磁性軟體抓手憑借其多孔結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出卓越的柔軟度和適形性，能夠輕松抓取各種大小和質(zhì)地的物體。這種軟抓手的靈活性使其能夠適應(yīng)復(fù)雜或形狀不斷變化的物體，提供了比傳統(tǒng)機(jī)械抓手更可靠的抓取方案，特別是在處理形狀不規(guī)則或容易變形的物體時(shí)更為有效。由于具備高磁化強(qiáng)度和低彈性模量，能夠迅速對(duì)磁場(chǎng)變化作出反應(yīng)，同時(shí)保持較小的沖擊力，確保安全地抓取易碎物品，如能夠快速安全抓住上拋的去殼生鵪鶉蛋。此外，多孔磁性軟體抓手在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是細(xì)胞操作方面，展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用前景，因?yàn)樗軌蛱峁┏掷m(xù)而溫和的壓力，確保對(duì)生物樣本的輕柔與安全抓取，為醫(yī)療微操作器械的創(chuàng)新提供了新的可能性。
圖2.軟體抓手的多功能性展示（a）抓取薄板和細(xì)線（b）抓取魚和蒲公英（c）快速抓取去殼生蛋（d）安全移取斑馬魚卵
此外，研究團(tuán)隊(duì)還進(jìn)一步開發(fā)了可遠(yuǎn)程操作的多孔磁性軟體抓手，克服了傳統(tǒng)磁驅(qū)動(dòng)抓手對(duì)大型電磁場(chǎng)線圈的依賴，更有利于與移動(dòng)平臺(tái)相結(jié)合，從而適用于更廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。所設(shè)計(jì)的抓手能夠與移動(dòng)機(jī)器人集成，實(shí)現(xiàn)對(duì)小雞的溫和抓取與定點(diǎn)移動(dòng)。同時(shí)，該軟體抓手還可與無人機(jī)集成，可以捕獲水中的小魚，并能迅速地將它們進(jìn)行遠(yuǎn)距離的安全轉(zhuǎn)移。這些結(jié)果表明，多孔磁性軟體抓手在未來的野外生物樣本收集和生物醫(yī)學(xué)研究中將發(fā)揮更加重要的作用。
圖3.抓手與移動(dòng)平臺(tái)集成，實(shí)現(xiàn)生物活體遠(yuǎn)程抓取
以上工作得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，安徽省自然科學(xué)基金，“科大新醫(yī)學(xué)”聯(lián)合基金支持。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)精密機(jī)械與精密儀器系博士生李幸響、生命科學(xué)與醫(yī)學(xué)部博士生凡定剛、精密機(jī)械與精密儀器系博士后孫宇軒為該論文共同第一作者，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)李木軍副教授、張世武教授、胡兵教授為該論文通訊作者。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202409173
（工程科學(xué)學(xué)院、人形機(jī)器人研究院、科研部）
